霍尔传感器在测量系统中的原理及测量方法
电流的测量采用磁平衡式霍尔电流传感器传感器可测量从直流到100kHz 的交流量
在自动测控系统中,常需要测量和显示有关电参量。目前大多数测量系统仍采用变压器式电压、电流互感器,由于互感器的非理想性,使得变比和相位测量都存在较大的误差,常需要采用硬件或软件的方法补偿,从而增加了系统的复杂性。
采用霍尔检测技术,可以克服互感器这些缺点,能测量从直流到上百千赫兹的各种形状的交流信号,并且达到原副边不失真传递,同时又能实现主电路回路和电子控制电路的隔离,霍尔传感器的输出可直接与单片机接口。
因此霍尔传感器已广泛应用于微机测控系统及智能仪表中,是替代互感器的新一代产品。在此提出了利用霍尔传感器对电参量特别是对高电压、大电流的参数的测量。
l 测量原理
1 霍尔效应原理
如图1 所示,一个N 型半导体薄片,长度为L,宽度为S,厚度为d,在垂直于该半导体薄片平面的方向上,施加磁感应强度为B 的磁场,若在长度方向通以电流Ic 则运动电荷受到洛伦兹力的作用,正负电荷将分别沿垂直于磁场和电流的方向向导体两端移动,并*在导体两端形成一个稳定的电动势UH,这就是霍尔电动势(或称之为霍尔电压),这种现象称为霍尔效应。霍尔电压的大小
UH=RIB/d=KHICB,其中R 为霍尔常数；KH 为霍尔元件的乘积灵敏度。
2 用霍尔传感器测量电参量的原理
一种霍尔电流传感器的电路设计 设计了一种零磁通型霍尔电流传感器，可广泛应用于交流变频驱动、焊接电源、开关电源、不间断电源等领域。该零磁通型霍尔电流传感器通过砷化镓霍尔元件检测由通电电流产生的磁场，继而有效地检测被测电流。 由于霍尔元件产生的霍尔电势很微弱，而且还存在较大的失调电压，因此对霍尔电压的放大和对不等位电势的补偿是该设计的两个主要需要解决的问题，而且霍尔元件中载流子浓度等随温度变化而变化，因此还需用温度补偿电路对其温度补偿。 1 系统设计框架 系统分为4个部分：1)霍尔元件的供电电路，由电压基准(电流基准)芯片为霍尔片提供工作电流； 2)霍尔元件及磁芯，将感应片感应的磁场(该磁场由通电电流产生)转化为霍尔电压；3)放大电路，将微弱的霍尔电压进行放大；4)反馈部分，利用了磁平衡原理：一次侧电流所产生的磁场，通过二次线圈电流进行补偿，使磁芯始终处于零磁通工作状态。其系统总流程图如图1所示。 2 系统硬件电路设计 系统由±5 V的稳压源供电。用一片电压基准芯片REF3012为砷化镓系列的霍尔元件HW300B提供基准电压。HW300B是一款可采用电压模式供电和电流模式供电的霍尔元件，HW300B放在开有气隙的集磁环的气隙里，并用胶水加以固定(霍尔元件和集磁环相对位置如果发生变化，会影响产生的霍尔电势的大小)。霍尔元件的输出接至仪器放大器AD620，作为放大器的差模出入端和共模输入端。放大器的增益可通过调节1、8引脚之间的10 kΩ的电位器改变。放大器的输出接反馈线圈，该反馈线圈绕在集磁环上，其绕线方向能使通过它的电流产生的磁场与集磁环收集到的磁场方向相反。反馈线圈末端放1个75 kΩ的精阻接地，可以通过测量精阻两端的电压，计算反馈线圈中的电流，进而推算穿过集磁环中心的被测电流的大小。其具体电路图如图2所示。 2．1 REF3012 以SOT23-3封装的REF3012是一个高精度、低功耗、低电压差电压参考系列芯片。REF3012小尺寸和低功耗(最大50μA)非常适用于便携式和电池供电。它不需要负载电容，但对任何容性负载很稳定。因磁敏型霍尔元件很容易受温度的影响，可以采用恒流源供电以减小其温度系数。在该系统设计中，REF3012的输入引脚1接+5 V电源，并接10μF的旁路电容至地，该旁路电容对电源进行滤波，提高电源稳定性。而其输出引脚2接到HW300B的引脚1，并且也接1O μF的旁路电容至地，GND(地)引脚3接地。由于系统设计要求REF3012为HW300B提供2．5 V的基准电压，根据REF3012的数据资料可知，当输入电压为5 V 时，输出电压为2．5 V，所以REF3012引脚1接+5 V电压。 2．2 霍尔元件 本设计采用砷化镓系列的HW300B型霍尔元件，输出霍尔电压范围122～204mV，输入、输出阻抗为240～550 Ω，补偿电压为-7～7 mV，温度系数为-1．8％／℃。其输入可采用电压模式供电，也可采用电流模式供电。这里采用电压模式供电，即就是HW300B的引脚1、3为控制输入端，而引脚2、4为霍尔电压输出端。 霍尔元件是将磁场转换为电信号的线性磁敏元件，霍尔输出电压 式中，S为乘积灵敏度，mV／(mT·mA)；Ic为工作电流，mA；B为磁感应强度，mT。 本设计中，将霍尔元件放进开有气隙的集磁环的气隙里，并将霍尔元件和集磁环固定，这样可以感应出更大、更稳定的霍尔电势。式(1)中，当S与Ic一定，则Vh与B有直接线性关系。通电导体周围必然产生磁场，根据安培定律，电流与磁场的关系式∮BdI=μ0I0得：
半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，如图所示。当有电流 I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 EH ，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，上述半导体薄片称为霍尔元件。 原理简述如下：激励电流 I 从 a 、 b 端流入，磁场 B 由正上方作用于薄片，这时电子 e 的运动方向与电流方向相反，将受到洛仑兹力 FL 的作用，向内侧偏移，该侧形成电子的堆积，从而在薄片的 c 、 d 方向产生电场 E 。电子积累得越多， FE 也越大，在半导体薄片 c 、 d 方向的端面之间建立的电动势 EH 就是霍尔电势。 由图可以看出，流入激励电流端的电流 I 越大、作用在薄片上的磁场强度B 越强，霍尔电势也就越高。磁场方向相反，霍尔电势的方向也随之改变，因此霍尔传感器能用于测量静态磁场或交变磁场。 半导体薄片置于磁感应强度为 B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，如图所示。当有电流 I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 EH ，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电势，上述半导体薄片称为霍尔元件。 原理简述如下：激励电流 I 从 a 、 b 端流入，磁场 B 由正上方作用于薄片，这时电子 e 的运动方向与电流方向相反，将受到洛仑兹力 FL 的作用，向内侧偏移，该侧形成电子的堆积，从而在薄片的 c 、 d 方向产生电场 E 。电子积累得越多， FE 也越大，在半导体薄片 c 、 d 方向的端面之间建立的电动势 EH 就是霍尔电势。 由图可以看出，流入激励电流端的电流 I 越大、作用在薄片上的磁场强度B 越强，霍尔电势也就越高。磁场方向相反，霍尔电势的方向也随之改变，因此霍尔传感器能用于测量静态磁场或交变磁场。
《第一章传感器的一般特性》 1 试绘制转速和输出电压的关系曲线，并确定： 1）该测速发电机的灵敏度。 2）该测速发电机的线性度。 2．已知一热电偶的时间常数τ=10s，若用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540οC和500οC 之间按近似正弦曲线波动，周期为80s，静态灵敏度k=1，试求该热电偶输出的最大值和最小值，以及输入与输出信号之间的相位差和滞后时间。 3．用一只时间常数为0.355s 的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号，问幅值误差为多少？ 4．若用一阶传感器作100Hz正弦信号的测试，如幅值误差要求限制在5%以内，则时间常数应取多少？若在该时间常数下，同一传感器作50Hz正弦信号的测试，这时的幅值误差和相角有多大？ 5．已知某二阶系统传感器的固有频率f0=10kHz，阻尼比ξ=0.1，若要求传感器的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。 6．某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为1000Hz,阻尼比为临界值的50%,当500Hz的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。 《第二章应变式传感器》 1．假设某电阻应变计在输入应变为5000με时电阻变化为1%，试确定该应变计的灵敏系数。又若在使用该应变计的过程中，采用的灵敏系数为 1.9，试确定由此而产生的测量误差的正负和大小。 2．如下图所示的系统中：①当F＝0和热源移开时，R l＝R2＝R3＝R4，及U0＝0；②各应变片的灵敏系数皆为+2.0，且其电阻温度系数为正值；③梁的弹性模量随温度增加而减小；④应变片的热膨胀系数比梁的大；⑤假定应变片的温度和紧接在它下面的梁的温度一样。 在时间t＝0时，在梁的自由端加上一向上的力，然后维持不变，在振荡消失之后，在一稍后的时间t1打开辐射源，然后就一直开着，试简要绘出U0和t的关系曲线的一般形状，并通过仔细推理说明你给出这种曲线形状的理由。
现代检测技术论文 测控11-2班 范国霞 1105070202
绪论 现代技术关于速度的测量方法多种多样，其中包括线速度和角速度两个方面，速度和转速测量在工业农业、国防中有很多应用，如汽车、火车、轮船及飞机等行驶速度测量；发动机、柴油机、风力发电机等输出轴的转速测量等等。其中有微积分转换法，线速度与角速度转换方法，时间位移方法等等，下面我所介绍的是霍尔传感器对于速度的测量方法。霍尔式传感器是基于霍尔效应原理设计的传感器. 关键字：霍尔效应，霍尔传感器
霍尔传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用，随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于他的霍尔效应显著而得到了应用和发展。在了解霍尔传感器之前先了解一下什么是霍尔元件以及它的基本特性。 霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的，如图1所示。 图1 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：1、1ˊ两根引线加激励电压或电流，称激励电极；2、2ˊ引线为霍尔输出引线，称霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非到此金属、陶瓷或环氧树脂封装的。在电路中，霍尔元件一般可用两种符号表示，如图1（b）所示。
霍尔元件的基本特性 （1）额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温度升高10℃所流过的激励电流成为额定激励电流。以元件允许最大温升为限定的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知道元件的最大允许激励电流。 （2）输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻称为输入电阻。霍尔电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。 （3）不等位电势及不等为电阻当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这是测得的空载电势称为不等位电势。 （4）寄生直流电势再外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。 （5）霍尔电势温度系数在一定磁感应强度和激励电流下温度每变化1℃时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。他同时也是霍尔系数的温度系数。
一、霍尔电流电压传感器、变送器的基本原理与使用方法 1．霍尔器件 霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在输入端通入控 制电流I C ，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势V H 。 如图1－1所示。 霍尔电势V H 的大小与控制电流I C 和磁通密度B的乘积成正比，即：V H ＝K H I C Bsin Θ 霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此，使电流的非接触测量成为可能。 通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，电流传感器经过了电－磁－电的绝缘隔离转换。 2．霍尔直流检测原理 如图1－2所示。由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔 器件输出的电压讯号U 0可以间接反映出被测电流I 1 的大小，即：I 1 ∝B 1 ∝U 我们把U 0定标为当被测电流I 1 为额定值时，U 等于50mV或100mV。这就制成 霍尔直接检测（无放大）电流传感器。
3．霍尔磁补偿原理 原边主回路有一被测电流I1，将产生磁通Φ1，被副边补偿线圈通过的电流I2所产生的磁通Φ2进行补偿后保持磁平衡状态，霍尔器件则始终处于检测零磁通的作用。所以称为霍尔磁补偿电流传感器。这种先进的原理模式优于直检原理模式，突出的优点是响应时间快和测量精度高，特别适用于弱小电流的检测。霍尔磁补偿原理如图1－3所示。 从图1－3知道：Φ 1＝Φ 2 I 1N 1 ＝I 2 N 2 I 2＝N I /N 2 ·I 1 当补偿电流I 2流过测量电阻R M 时，在R M 两端转换成电压。做为传感器测量电 压U 0即：U ＝I 2 R M 按照霍尔磁补偿原理制成了额定输入从0.01A～500A系列规格的电流传感器。 由于磁补偿式电流传感器必须在磁环上绕成千上万匝的补偿线圈，因而成本增加；其次，工作电流消耗也相应增加；但它却具有直检式不可比拟的较高精度和快速响应等优点。 4．磁补偿式电压传感器 为了测量mA级的小电流，根据Φ 1＝I 1 N 1 ，增加N 1 的匝数，同样可以获得高磁 通Φ 1 。采用这种方法制成的小电流传感器不但可以测mA级电流，而且可以测电压。 与电流传感器所不同的是在测量电压时，电压传感器的原边多匝绕组通过串 联一个限流电阻R 1，然后并联连接在被测电压U 1 上，得到与被测电压U 1 成比 例的电流I 1 ，如图1－4所示。
《传感器原理与应用》作业参考答案 作业一 1.传感器有哪些组成部分在检测过程中各起什么作用 答：传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。 各部分在检测过程中所起作用是：敏感元件是在传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件，如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件，如应变片可将应变转换为电阻量。测量转换电路可将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电量信号。 2.传感器有哪些分类方法各有哪些传感器 答：按工作原理分有参量传感器、发电传感器、数字传感器和特殊传感器；按被测量性质分有机械量传感器、热工量传感器、成分量传感器、状态量传感器、探伤传感器等；按输出量形类分有模拟式、数字式和开关式；按传感器的结构分有直接式传感器、差分式传感器和补偿式传感器。 3.测量误差是如何分类的 答：按表示方法分有绝对误差和相对误差；按误差出现的规律分有系统误差、随机误差和粗大误差按误差来源分有工具误差和方法误差按被测量随时间变化的速度分有静态误差和动态误差按使用条件分有基本误差和附加误差按误差与被测量的关系分有定值误差和积累误差。 4.弹性敏感元件在传感器中起什么作用 答：弹性敏感元件在传感器技术中占有很重要的地位，是检测系统的基本元件，它能直接感受被测物理量（如力、位移、速度、压力等）的变化，进而将其转化为本身的应变或位移，然后再由各种不同形式的传感元件将这些量变换成电量。 5.弹性敏感元件有哪几种基本形式各有什么用途和特点 答：弹性敏感元件形式上基本分成两大类，即将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件和将压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。 变换力的弹性敏感元件通常有等截面轴、环状弹性敏感元件、悬臂梁和扭转轴等。实心等截面轴在力的作用下其位移很小，因此常用它的应变作为输出量。它的主要优点是结构简单、加工方便、测量范围宽、可承受极大的载荷、缺点是灵敏度低。空心圆柱体的灵敏度相对实心轴要高许多，在同样的截面积下，轴的直径可加大数倍，这样可提高轴的抗弯能力，但其过载能力相对弱，载荷较大时会产生较明显的桶形形变，使输出应变复杂而影响精度。环状敏感元件一般为等截面圆环结构，圆环受力后容易变形，所以它的灵敏度较高，多用于测量较小的力，缺点是圆环加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变)大，灵敏度高，所以常用于较小力的测量。扭转轴式弹性敏感元件用于测量力矩和转矩。 变换压力的弹性敏感元件通常有弹簧管、波纹管、等截面薄板、波纹膜片和膜盒、薄壁圆筒和薄壁半球等。弹簧管可以把压力变换成位移，且弹簧管的自由端的位移量、中心角的变化量与压力p成正比，其刚度较大，灵敏度较小，但过载能力强，常用于测量较大压力。波纹管的线性特性易被破坏，因此它主要用于测量较小压力或压差测量中。 作业二 1.何谓电阻式传感器它主要分成哪几种 答：电阻式传感器是将被测量转换成电阻值，再经相应测量电路处理后，在显示器记录仪上显示或记
测试技术应用案例 （霍尔传感器测量转速） 班级: 学号: 姓名:
霍尔传感器测量转速 一.霍尔传感器的优点 1.测量范围广：霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压， 如：直流、交流、脉冲波形等。 2.精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形 的测量。 3.线性度好：优于%。 4.动态性能好：响应时间小于1μs跟踪速度di/dt高于50A/μs。 5.性价比高。 各式各样的霍尔传感器 二.霍尔传感器测转速原理 霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差U H的基本关系为: U H=K H IB K H =1/nq（金属） 式中K H――霍尔系数；n――单位体积内载流子或自由电子的个数；q――电子电量；I――通过的电流；B――垂直于I的磁感应强度； 利用霍尔效应表达式：U H=K H IB,当被测物体上装上Ｎ只磁性体时，物体每转一周磁场就变化N次，霍尔电势相应变化N次，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。 三.测量设备 本案例以实验室霍尔元件测量圆盘转速为例。 实验设备：CSY2000系列传感器与检测技术实验台。
1、主控台部分，提供高稳定的±15V、+5V、±2V～±10V可 调、+2V～+24V可调四种直流稳压电源；主控台面板上还装有电压、频率、转速的3位半数显表。 2、旋转源0-2400转/分(可调) 需用器件与单元：霍尔传感器、5V直流源、转速调节装置、转动源单元、数显单元的转速显示部分。 四.实验方案 1.实验装置如下图 2.将5Ｖ直流源加于霍尔元件电源输入端。 3.将霍尔转速传感器输出端（黄）插入数显单元F i n端。 4.将转速调节中的2V-24V转速电源引入到台面上转动单元中转 动电源2-24VK插孔。 5.将数显单元上的转速／频率表波段开关拨到转速档，此时数显 表指示转速。 6.调节转速调节电压使转动速度变化。观察数显表转速显示的变 化。 五.实验结果计算 磁体经过霍尔元件，霍尔元件就会发出就会发出一个信号，经放大整形得到脉冲信号，两个脉冲的间隔时间即为周期，通过周期就可算出转速。
两种霍尔传感器的工作原理 霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的.它有两种工作方式,即磁平衡式和直式.霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、(次级线圈)和放大电路等组成. 1 直放式电流传感器(开环式) 众所周知,当电流通过一根长导线时,在导线周围将产生一磁场,这一磁场的大小与流过导线的电流成正比,它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出.这一信号经信号放大器放大后直接输出,一般的额定输出标定为4V. 2 磁平衡式电流传感器(闭环式) 磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器,即主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈,电流所产生的磁场进行补偿,从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。 磁平衡式电流传感器的具体工作过程为:当主回路有一电流通过时,在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上,所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通,从而获得一个补偿电流Is.这一电流再通过多匝绕组产生磁场,该磁场与被测电流产生的磁场正好相反,因而补偿了原来的磁场,使霍尔器件的输出逐渐减小.当与I H与匝数相乘与“原边电流与匝数相乘”所产生的磁场相等时, I H不再增加,这时的霍尔器件起指示零磁通的作用,此时可以通过I H来平衡.被测电流的任何变化都会破坏这一平衡.一旦磁场失去平衡,霍尔器件就有信号输出.经功率放大后,立即就有相应的电流I H流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿.从磁场失衡到再次平衡,所需的时间理论上不到1μs,这是一个动态平衡的过程。
工作原理主要是霍尔效应原理. 一、以零磁通闭环产品原理为例: 1、当原边导线经过电流传感器时，原边电流 IP 会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS，并存在以下关系式：IS* NS= IP*NP 其中，IS—副边电流；IP—原边电流；NP—原边线圈匝数；NS—副边线圈匝数； NP/NS—匝数比，一般取 NP=1。 电流传感器的输出信号是副边电流IS，它与输入信号（原边电流IP）成正比，IS 一般很小，只有 10~400mA。如果输出电流经过测量电阻 RM，则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的电压输出信号。 2、传感器供电电压 VA VA 指电流传感器的供电电压，它必须在传感器所规定的范围内。超过此范围，传感器不能正常工作或可靠性降低，另外，传感器的供电电压VA又分为正极供电电压VA+和负极供电电压VA-。要注意单相供电的传感器，其供电电压VAmin是双相供电电压VAmin的2倍，所以其测量范围要相供高于双电的传感器。 3、测量范围 Ipmax 测量范围指电流传感器可测量的最大电流值，测量范围一般高于标准额定值 IPN。二、电流传感器主要特性参数1、标准额定值 IPN 和额定输出电流 ISN IPN 指电流传感器所能测试的标准额定值，用有效值表示（A.r.m.s），IPN 的大小与传感器产品的型号有关。ISN指电流传感器额定输出电流，一般为10~400mA，当然根据某些型号具体可能会有所不同。 2、偏移电流 ISO 偏移电流也叫残余电流或剩余电流，它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的。电流传感器在生产时，在25℃，IP=0时的情况下，偏移电流已调至最小，但传感器在离开生产线时，都会产生一定大小的偏移电流。产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响。 3、线性度 线性度决定了传感器输出信号（副边电流IS）与输入信号（原边电流IP）在测量范围内成正比的程度。 4、温度漂移 偏移电流ISO是在25℃时计算出来的，当霍尔电极周边环境温度变化时，ISO会产生变化。因此，考虑偏移电流ISO的最大变化是很重要的，其中，IOT是指电流传感器性能表中的温度漂移值。5、过载电流传感器的过载能力是指发生电流过载时，在测量范围之外，原边电流仍会增加，而且过载电 流的持续时间可能很短，而过载值有可能超过传感器的允许值，过载电流值传感器一般测量不出来，但不会对传感器造成损坏。
浅谈霍尔电流传感器ACS785/ACS712系列电流检测方式 浅谈电流检测方式 一、检测电阻+运放 优势：成本低、精度较高、体积小 劣势：温漂较大，精密电阻的选择较难，无隔离效果。 分析： 这两种拓扑结构，都存在一定的风险性，低端检测电路易对地线造成干扰；高端检测，电阻与运放的选择要求高。检测电阻，成本低廉的一般精度较低，温漂大，而如果要选用精度高的，温漂小的，则需要用到合金电阻，成本将大大提高。运放成本低的，钳位电压低，而特殊工艺的，则成本上升很多。 二、电流互感器CT/电压互感器PT 在变压器理论中，一、二次电压比等于匝数比，电流比为匝数比的倒数。而CT 和PT 就是特殊的变压器。基本构造上，CT 的一次侧匝数少，二次侧匝数多，如果二次开路，则二次侧电压很高，会击穿绕阻和回路的绝缘，伤及设备和人身。PT 相反，一次侧匝数多，二次侧匝数少，如果二次短路，则二次侧电流很大，使回路发热，烧毁绕阻及负载回路电气。 CT,电流互感器，英文拼写Current Transformer，是将一次侧的大电流，按比例变为适合通过仪表或继电器使用的，额定电流为5A 或1A 的变换设备。它的工作原理和变压器相似。也称作TA 或LH（旧符号）. 工作特点和要求： 1、一次绕组与高压回路串联，只取决于所在高压回路电流，而与二次负荷大小无关。 2、二次回路不允许开路，否则会产生危险的高电压，危及人身及设备安全。 3、CT 二次回路必须有一点直接接地，防止一、二次绕组绝缘击穿后产生对地高电压，但仅一点接地。 4、变换的准确性。 PT，电压互感器，英文拼写Phase voltage Transformers，是将一次侧的高电压按比例变为适合仪表或继电器使用的额定电压为100V 的变换设备。电磁式电压互感器的工作原理和变压器相同。也称作TV 或YH（旧符号）。 工作特点和要求： 1、一次绕组与高压电路并联。 2、二次绕组不允许短路（短路电流烧毁PT）,装有熔断器。 3、二次绕组有一点直接接地。 4、变换的准确性
霍尔齿轮转速传感器的工作原理和优点 作者: 发布时间:2009-11-25 来源: 关键字:霍尔转速传感器 霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。 霍尔转速传感器的工作原理 霍尔转速传感器在测量机械设备的转速时，被测量机械的金属齿轮、齿条等运动部件会经过传感器的前端，引起磁场的相应变化，当运动部件穿过霍尔元件产生磁力线较为分散的区域时，磁场相对较弱，而穿过产生磁力线较为几种的区域时，磁场就相对较强。 霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时，产生霍尔电势。霍尔转速传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。 霍尔转速传感器的测量方法 霍尔转速传感器的测量必须配合磁场的变化，因此在霍尔转速传感器测量非铁磁材质的设备时，需要事先在旋转物体上安装专门的磁铁物质，用以改变传感器周围的磁场，这样霍尔转速传感器才能准确的捕捉到物质的运动状态。 霍尔转速传感器主要应用于齿轮、齿条、凸轮和特质凹凸面等设备的运动转速测量。高转速磁敏电阻转速传感器除了可以测量转速以外，还可以测量物体的位移、周期、频率、扭矩、机械传动状态和测量运行状态等。 霍尔转速传感器目前在工业生产中的应用很是广泛，例如电力、汽车、航空、纺织和石化等领域，都采用霍尔转速传感器来测量和监控机械设备的转速状态，并以此来实施自动化管理与控制。 霍尔转速传感器的应用优势 霍尔转速传感器的应用优势主要有三个，一是霍尔转速传感器的输出信号不会受到转速值的影响，二是霍尔转速传感器的频率相应高，三是霍尔转速传感器对电磁波的抗干扰能力强，因此霍尔转速传感器多应用在控制系统的转速检测中。 同时，霍尔转速传感器的稳定性好，抗外界干扰能力强，如抗错误的干扰信号等，因此不易因环境的因素而产生误差。霍尔转速传感器的测量频率范围宽，
课程设计报告书
2.概述 2.1系统组成框图 系统由传感器、信号预处理电路、处理器、显示器和系统软件等部分组成。传感器部分采用霍尔传感器，负责将电机的转速转化为脉冲信号。信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。处理器采用AT89C51单片机，显示器采用8位LED数码管动态显示。本课题采用的是以8051系列的A T89C51单片机为核心开发的霍尔传感器测转速的系统。系统硬件原理框图如图1所示： 图1 系统框图 2.2系统工作原理 转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为 r／min。由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机AT89C51的计数器 T0进行计数，用T1定时测出电动机的实际转速。此系统使用单片机进行测速，采用脉冲计数法，使用霍尔传感器获得脉冲信号。其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，让霍尔传感器靠近磁钢，机轴每转一周，产生两个脉冲，机轴旋转时，就会产生连续的脉冲信号输出。由霍尔器件电路部分输出，成为转速计数器的计数脉冲。控制计数时间，即可实现计数器的计数值对应机轴的转速值。单片机CPU将该数据处理后，通过LED显示出来。
2.2.1霍尔传感器 霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，由磁钢、霍耳元件等组成。测量系统的转速传感器选用SiKO 的 NJK-8002D 的霍尔传感器，其响应频率为100KHz ，额定电压为5-30（V ）、检测距离为10（mm ）。其在大电流磁场或磁钢磁场的作用下，能测量高频、工频、直流等各种波形电流。该传感器具有测量精度高、电压范围宽、功耗小、输出功率大等优点，广泛应用在高速计数、测频率、测转速等领域。输出电压4～25V ，直流电源要有足够的滤波电容，测量极性为N 极。安装时将一非磁性圆盘固定在电动机的转轴上，将磁钢粘贴在圆盘边缘，磁钢采用永久磁铁，其磁力较强，霍尔元件固定在距圆盘1-10mm 处。当磁钢与霍尔元件相对位置发生变化时，通过霍尔元件感磁面的磁场强度就会发生变化。圆盘转动，磁钢靠近霍尔元件，穿过霍尔元件的磁场较强，霍尔元件输出低电平；当磁场减弱时，输出高电平，从而使得在圆盘转动过程中，霍尔元件输出连续脉冲信号。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。 2.2.2转速测量原理 霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l 、b 、d 。若在垂直于薄片平面（沿厚度 d ）方向施加外磁场B ，在沿l 方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：qVB f = 式中：f —洛仑磁力， q —载流子电荷， V —载流子运动速度， B —磁感应强度。 这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差H U 称为霍尔电压。 霍尔电压大小为： H U H R =d B I /??(mV) 式中：H R —霍尔常数， d —元件厚度，B —磁感应强度， I —控制电流 设 H K H R =d /, 则H U =H K d B I /??(mV) H K 为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和 单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B 反向时，霍尔电动势也反向。图2为霍耳元件的原理结构图。
第八章霍尔传感器 课题：霍尔传感器的原理及应用课时安排：2 课次编号：12 教材分析 难点：开关型霍尔集成电路的特性 重点：霍尔传感器的应用 教学目的和要求1、了解霍尔传感器的工作原理； 2、了解霍尔集成电路的分类； 3、掌握线性型和开关型霍尔集成电路的特性； 4、掌握霍尔传感器的应用。 采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种霍尔元 件、霍尔传感器 各教学环节和内容 演示1： 将小型蜂鸣器的负极接到霍尔接近开关的OC门输出 端，正极接V cc端。在没有磁铁靠近时，OC门截止，蜂鸣 器不响。 当磁铁靠近到一定距离（例如3mm）时，OC门导通， 蜂鸣器响。将磁铁逐渐远离霍尔接近开关到一定距离（例 如5mm）时，OC门再次截止，蜂鸣器停响。 演示2： 将一根导线穿过10A霍尔电流传感器的铁芯，通入0.1~1A电流，观察霍尔IC的输出电压的变化，基本与输入电流成正比。 从以上演示，引入第一节霍尔效应、霍尔元件的工作原理。 第一节霍尔元件的工作原理及特性 一、工作原理 金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势E H，这种现象称为霍尔效应（Hall Effect），该电动势称为霍尔电动势（Hall EMF），上述半导体薄片称为霍尔元件（Hall Element）。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器（Hall Transducer）。
图8-1霍尔元件示意图 a）霍尔效应原理图b）薄膜型霍尔元件结构示意图c）图形符号d）外形霍尔属于四端元件： 其中一对（即a、b端）称为激励电流端，另外一对（即c、d端）称为霍尔电动势输出端，c、d端一般应处于侧面的中点。 由实验可知，流入激励电流端的电流I越大、作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电动势也就越高。霍尔电动势E H可用下式表示 E H=K H IB（8-1）式中K H——霍尔元件的灵敏度。 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度θ时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即B cosθ，这时的霍尔电动势为 E H=K H IB cosθ（8-2） 从式（8-2）可知，霍尔电动势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电动势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电动势为同频率的交变电动势。 目前常用的霍尔元件材料是N型硅，霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造。 二、主要特性参数 （1）输入电阻R i恒流源作为激励源的原因：霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流I ab变大，最终引起霍尔电动势变大。使用恒流源可以稳定霍尔原件的激励电流。 （2）最大激励电流I m激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。 提问：霍尔原件的最大激励电流I m为宜。 A．0mA B．±0.1 mA C．±10mA D．100mA （4）最大磁感应强度B m磁感应强度超过B m时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大，B m的数值一般小于零点几特斯拉。 提问：为保证测量精度，图8-3中的线性霍尔IC的磁感应强度不宜超过为宜。 A．0T B．±0.10T C．±0.15T D．±100Gs
目录 一、课程设计目的与要求 (2) 二、元件介绍 (3) 三、课程设计原理 (6) 3.1霍尔效应 (6) 3.2测磁场的原理,载流长直螺线管内的磁感应强度 (8) 四、课程设计内容 (10) 4.1电路补偿调节 (10) 4.2失调电压调零 (10) 4.3按图4-3接好信号处理电路 (10) 4.4按图4-4接好总测量电路 (11) 4.5数据记录与处理 (12) 4.6数据拟合 (14) 五、成品展示 (16) 六、分析与讨论 (17) 实验所需仪器 (19) 个人总结 (20) 致谢 (21) 参考文献 (22) 参考网址 (22)
一、课程设计目的与要求 1.了解霍尔传感器的工作原理 2.掌握运用霍尔传感器测量磁场的方法
二、元件介绍 CA3140 CA3140高输入阻抗运算放大器,是美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压的运算放大器在一片集成芯片上，该CA3140A和CA3140 BiMOS运算放大器功能保护MOSFET的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。操作电源电压从4V至36V（无论单或双电源),它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点.(互补对称金属氧化物半导体)卓越性能的运放。 应用范围: .单电源放大器在汽车和便携式仪表 .采样保持放大器 .长期定时器 .光电仪表 .探测器 .有源滤波器 .比较器 .TTL接口 .所有标准运算放大器的应用 .函数发生器 .音调控制 .电源 .便携式仪器
3503霍尔元件 UGN3503LT，UGN3503U和UGN3503UA霍尔效应传感器准确地跟踪磁通量非常小的变化，密度变化通常太小以致不方便操作霍尔效应开关。 可作为运动探测器，齿传感器和接近探测器，磁驱动机械事件的镜像。作为敏感电磁铁的显示器，就可以有效地衡量一个系统的负载量可以忽略不计的性能，同时提供隔离污染和电气噪声。 每个霍尔效应集成电路包括一个霍尔传感元件，线性放大器和射极跟随器输出级。 三种封装形式提供了对磁性优化包大多数应用程序。封装后缀“LT”是一个缩影SOT-89/TO243AA表面贴装应用的晶体管封装;后缀“U”是一个微型三引脚塑料SIP，而'UA'是一个三引脚超小型SIP协议。所有器件的额定连续运行温度范围为-20 °C至+85°C。 特点: ·极为敏感 ·至23 kHz的平坦的响应Array·低噪声输出 ·4.5 V至6 V的操作 ·磁性优化装箱 图2-4 3503霍尔元件封装及引脚图
传感器原理与应用在线练习
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传感器原理与应用在线练习 (一) 单选题 1. 涡电流式传感器测量位移时,传感器灵敏度将因被测物体的（）的变化而发生变化。 (A) 形状 (B) 材料 (C) 表面有无裂纹 (D) 表面清洁度 参考答案： (B) 没有详解信息！ 2. 传感器能感知的输入变化量越小，表示传感器的（）。 (A) 线性度越好 (B) 迟滞越小 (C) 重复性越好 (D) 分辨力越高 参考答案： (D) 没有详解信息！ 3. 变间隙式电容传感器测量位移量时,传感器的灵敏度随（）而增大。
(A) 间隙的减小 (B) 间隙的增大 (C) 电流的增大 (D) 电压的增大 参考答案： (A) 没有详解信息！ 4. 压电式传感器是个高内阻传感器,因此要求前置放大器的输入阻抗（）。 (A) 很低 (B) 很高 (C) 较低 (D) 较高 参考答案： (B) 没有详解信息！ 5. 压电式传感器是属于（）型传感器。 (A) 参量型 (B) 发电型 (C) 电感型 (D) 电容型 参考答案： (B)
没有详解信息！ 6. 半导体应变片的灵敏度和电阻应变片的灵敏度相比（）。 (A) 半导体应变片的灵敏度高 (B) 电阻应变片的灵敏高 (C) 二者相等 (D) 不能确定 参考答案： (A) 没有详解信息！ 7. 当电阻应变片式传感器拉伸时,该传感器电阻（）。 (A) 变大 (B) 变小 (C) 不变 (D) 不定 参考答案： (A) 没有详解信息！ 8. 为消除压电传感器联接电缆分布电容变化对输出灵敏度的影响,应采用（）。 (A) 电压放大器 (B) 电荷放大器 (C) 相敏检波器 (D) 电流放大器
霍尔传感器测量转速 测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。单片机技术的日新月异，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 利用霍尔传感器来测量转速。由磁场的变化来使霍尔传感器产生脉冲，由单片机计数，经过数据计算转化成所测转速，再由数码管显示出来。 一、主要内容 利用强磁铁与霍尔元件组成测试转体转速的测量电路，包括计数与显示电路。 二、基本要求 1. 实现基本功能 3. 画出电路图 三、主要技术指标（或研究方法） 测量范围0—6000r/min 精度±5r/min 工作电压5V～12V 工作电流低于500mA 工作环境温度-60℃～65℃ 四、 应收集的资料及参考文献 霍尔元件原理与应用 显示元件原理 数据采样整理单 2.1 系统组成框图 在测量电机转速时采用电磁感应式传感器。当电机转动时，带动传感器。这种传感器可以将转速信号转变成一个对应频率的脉冲信号输出，经过信号处理后输出到计数器。脉冲信号的频率与电机的转速是一种线性的正比关系，因此对电机转速的测量，实质上是对脉冲信号的频率的测量。 我采用的是以STC89C52单片机为核心将处理好的信号经过数据处理转换成所测得的实际十进制信号的系统。系统硬件原理框图如图2-1：
系统框图原理如图2-1所示，系统由传感器、信号处理、显示电路和系统软件等部分组成。传感器采用霍尔传感器，负责将转速转化为脉冲信号。信号处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量；波形变换和波形整形电路实现把正负交变的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS 兼容信号。 处理器采用STC89C52单片机，显示器采用8位LED 数码管动态显示。 2.2霍尔传感器测转速原理及特性 1、霍尔传感器测速原理： 霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 l 、ｂ、ｄ。若在垂直于薄片平面（沿厚度 ｄ）方向施加外磁场Ｂ，在沿ｌ方向的两个端面加一外电场，则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为： qVB f = 式中：f —洛仑磁力， ｑ—载流子电荷， Ｖ—载流子运动速度， Ｂ—磁感应强度。 这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差H U 称为霍尔电压。 霍尔电压大小为： H U H R =d B I /??(mV) 式中：H R —霍尔常数， ｄ—元件厚度， Ｂ—磁感应强度， Ｉ—控制电流 设 H K H R =d /, 则H U =H K d B I /??(mV) 为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T)，它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输 出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度Ｂ反向时，霍尔电动势也反向。 若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。传 单 片 机 四位数码管显示电路 霍尔传感器 信号处理 图2-1系统框图
压力传感器的测量原理 压阻式压力传感器： 通常是将电阻膜片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在一个固定基体上，当基体受力发生应力变化时，膜片的电阻值也发生相应的改变，如果电路中有一个恒流源，从而使加在电阻上的电压发生变化。通过用电桥放大后测量该电压值，就可以知道施加到膜片上的压力值。电阻膜片应用最多的是金属电阻膜片和半导体膜片两种。金属电阻膜片又分丝状膜片和金属箔状片两种。 金属电阻膜片是利用吸附在基体材料上金属丝或金属箔，受应力变化时，电阻发生变化的特性来测量的。应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。 陶瓷电阻膜片没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，陶瓷电阻膜片的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40~135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向。 扩散硅的原理，是利用被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化。电容式压力传感器： 将膜片和基片构成一个腔体，待测压力使得陶瓷膜片弯曲情形，如此就能改变组件的电容量，借着加入必须的电子电路，尽可能将此变形与压力之变化互成关系。因此电容量的变化即比例于压力的变化。 半导体压力传感器：此种装置也是应用压电效应与电桥电阻形式获得量测结果，在硅支撑物上利用扩散的方法，用以产生膜片，包含电桥电阻的单元以静电处理固定在支撑玻璃上。所以，它就与外界形成机械性的隔离。当硅质膜片偏向时，电桥的输出就随着改变。 采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC 以内），因此，利用硅- 蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n 漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。 压电式压力传感器：